林羽東 黃齊韌 郭智威

(1.武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 湖北武漢 430063;2.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心,可靠性工程研究所 湖北武漢 430063)

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的不斷增強(qiáng)，在工業(yè)化過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)能源的高效利用便成為了迫切需要克服的一大難題。而摩擦磨損所帶來(lái)的問(wèn)題是工業(yè)化過(guò)程中所不能忽視的，其不僅會(huì)導(dǎo)致不必要的能量損耗還會(huì)造成機(jī)械零部件的失效。目前能有效解決此類問(wèn)題的其中一個(gè)方法是在摩擦副表面賦予一層減摩耐磨的薄膜或涂層[1]。傳統(tǒng)潤(rùn)滑多是通過(guò)利用潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂等作為潤(rùn)滑介質(zhì)進(jìn)行降摩減磨，而隨著現(xiàn)代化工業(yè)的不斷進(jìn)步與現(xiàn)代化科技的持續(xù)發(fā)展，越來(lái)越多的摩擦副要求在真空、高溫和重載等苛刻工況條件下工作，而由于受限于高蒸汽壓、低使用溫度、低承載等特點(diǎn)，潤(rùn)滑油脂難以適用于這些極端環(huán)境下的潤(rùn)滑[1-2]。

為解決上述問(wèn)題，人們將固體潤(rùn)滑劑加工并作用于摩擦界面，通過(guò)固體潤(rùn)滑劑的作用降低摩擦并減少磨損，從而改善材料的摩擦環(huán)境。這種利用固體潤(rùn)滑劑對(duì)摩擦界面進(jìn)行潤(rùn)滑的技術(shù)統(tǒng)稱為固體潤(rùn)滑技術(shù)[3]。目前人們所使用的固體潤(rùn)滑劑種類很多，潤(rùn)滑機(jī)制也不盡相同。常見的自潤(rùn)滑介質(zhì)包括石墨、MoS2、PTFE、WS2等。而通過(guò)將自潤(rùn)滑型復(fù)合材料與金屬材料進(jìn)行混合制成金屬襯背型復(fù)合材料不僅能有效實(shí)現(xiàn)輕量化，并保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[4]，而且其自潤(rùn)滑涂層還可以提供良好減摩耐磨性能，是一種較為理想的摩擦自潤(rùn)滑復(fù)合材料。

本文作者評(píng)述近年來(lái)金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材摩擦特性的研究進(jìn)展，并對(duì)金屬背襯復(fù)合材摩擦特性研究的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材料

圖1所示為金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材料既能使基體金屬的性質(zhì)得以保留與發(fā)揮，同時(shí)也使置于金屬襯背上固體潤(rùn)滑劑的優(yōu)良性能得以表現(xiàn)[5]。一般來(lái)說(shuō)，復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能是由每個(gè)組分的特性所共同決定的。由于金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材料基于不同的制備工藝而分為不同的形式，故其組分也略有異同。目前其制備工藝大致分為膠結(jié)成型、激光熔覆、微弧氧化、粉末冶金等，其中基于界面膠結(jié)成型的纖維織物樹脂基金屬襯背復(fù)合材料，其組分主要包括金屬襯背、樹脂黏接劑、纖維織物與填料等；基于微弧氧化、激光熔覆、金屬燒結(jié)等工藝制備的復(fù)合材料，其組分主要為金屬襯背與填料等。

圖1 金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)Fig 1 The structure of metal-backed self-lubricating composite

在不易或無(wú)法進(jìn)行油脂更換，或在摻雜水、空氣、雜質(zhì)、熱能等較易使油脂產(chǎn)生氧化變質(zhì)的工作環(huán)境如船舶甲板機(jī)械、電機(jī)、船舶液壓設(shè)備中，使用自潤(rùn)滑軸承能更大程度上保證機(jī)械工作的穩(wěn)定性與安全性。

1.1 金屬襯背

自潤(rùn)滑材料軸承技術(shù)是目前潤(rùn)滑技術(shù)的一大發(fā)展趨勢(shì)，開發(fā)力學(xué)強(qiáng)度高和摩擦學(xué)性能好的自潤(rùn)滑復(fù)合材料成為摩擦學(xué)領(lǐng)域的重要熱點(diǎn)[6]。

金屬襯背在復(fù)合材料中主要起支撐與強(qiáng)化作用，基于不同的金屬種類，其能提供良好的機(jī)械強(qiáng)度、韌性與硬度；同時(shí)不同金屬的導(dǎo)電性能和高溫性能也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的綜合性能帶來(lái)顯著影響，進(jìn)而也能很大程度上影響復(fù)合材料的摩擦磨損性能[7]。目前，研究和應(yīng)用廣泛的固體自潤(rùn)滑復(fù)合材料金屬襯背有銅基、鋁基、鈦基、鋼基等。

CABEZAS-VILLA等[8]通過(guò)在銅基板上固態(tài)燒結(jié)制備了Cu-WC涂層，通過(guò)觀察其橫截面微觀組織發(fā)現(xiàn)：當(dāng)WC體積分?jǐn)?shù)大于20%時(shí)顆粒會(huì)發(fā)生團(tuán)聚進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料孔隙率較大，導(dǎo)致其摩擦學(xué)特性不夠理想；當(dāng)增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)超過(guò)10%時(shí)復(fù)合材料摩擦因數(shù)基本較高(而5%與20%除外)；材料磨損率在大部分情況下隨著載荷的增加而增加，但發(fā)現(xiàn)當(dāng)增強(qiáng)顆粒填充20%時(shí)其耐磨性有所增強(qiáng)，分析其原因是作為第二相的增強(qiáng)硬質(zhì)顆?？梢猿洚?dāng)負(fù)載載體，阻礙軟質(zhì)基質(zhì)的流動(dòng)并減少了材料的損失。

王玉潔等[9]通過(guò)微弧氧化在LY12鋁合金表面制備了Al2O3/BN自潤(rùn)滑復(fù)合膜層，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)材料中BN顆粒體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，隨著BN顆粒體積分?jǐn)?shù)與摩擦持續(xù)時(shí)間的增加，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)有明顯下降的趨勢(shì)；當(dāng)BN體積分?jǐn)?shù)達(dá)到10%，摩擦?xí)r間達(dá)到120 min時(shí)，摩擦過(guò)程相對(duì)穩(wěn)定，摩擦因數(shù)也基本不再變化。

張年龍等[10]通過(guò)預(yù)置B4C和石墨混合合金化粉末，使用激光表面合金化技術(shù)在鈦合金表面制備了一層TiB2-TiC陶瓷涂層，通過(guò)使用SEM觀察和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：陶瓷涂層與基體結(jié)合良好，陶瓷層由多相組成并起協(xié)同作用，其平均硬度為基體的4.7～5.3倍，磨損率僅為基體的1/20～1/25；由于加入了石墨，其潤(rùn)滑性也得到增強(qiáng)，涂層的摩擦因數(shù)僅為基體的2/5～1/2。

MUNAGALA等[11]通過(guò)冷噴涂在低碳鋼基底上沉積了Ti3Al4V涂層和Ti3Al4V-TiC金屬基復(fù)合材料涂層,并研究了其在25～575 ℃環(huán)境中的干摩擦特性，結(jié)果表明：在高溫條件下，2種復(fù)合材料的摩擦軌跡上生成了由TiO2、WO3和CoWO4組成的氧化釉層，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的磨損率在高溫下較低；2種復(fù)合材料的摩擦因數(shù)隨溫度的升高而降低，在200 ℃以下，兩者的摩擦因數(shù)不會(huì)隨溫度而發(fā)生顯著變化，而在較高溫度的情況下，由于生成了氧化釉層增強(qiáng)了潤(rùn)滑，摩擦因數(shù)因此得到了降低。

通過(guò)復(fù)合金屬襯背，材料往往能被賦予更優(yōu)秀的力學(xué)性能。從上述學(xué)者的研究結(jié)果不難看出：潤(rùn)滑填料與金屬間通過(guò)互相補(bǔ)償，一方面能使材料的硬度得到提升，從而降低其磨損率；另一方面潤(rùn)滑填料的存在能使材料摩擦因數(shù)相比純金屬得到大幅下降。除此之外，金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材料對(duì)金屬襯背的種類沒有太多的限制，且不需對(duì)其進(jìn)行過(guò)多的處理，使其制作較為方便。值得指出的是，由于科技的不斷發(fā)展與技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用于不同場(chǎng)所的材料在機(jī)械性能與輕量化方面提出了更高的要求，且目前沒有一種金屬襯背能在較寬的溫度范圍下適用，這兩點(diǎn)將是日后金屬襯背的研究重點(diǎn)。

1.2 填料

填料的加入能夠進(jìn)一步改善復(fù)合材料的熱性能、力學(xué)性能和摩擦磨損性能等機(jī)械物理性能。如石墨、PTFE 、MoS2、UHMWPE等填料具有良好的自潤(rùn)滑作用，在摩擦過(guò)程中能通過(guò)分子間剪切和滑移作用粘附在對(duì)偶材料上并在對(duì)偶表面形成一層低摩擦因數(shù)轉(zhuǎn)移膜，使摩擦過(guò)程轉(zhuǎn)為潤(rùn)滑填料間的對(duì)磨，從而降低復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率[12]。

錢剛[13]通過(guò)粉末冶金熱壓制備了Cu-C-WS2(銅-石墨-二硫化鎢)復(fù)合材料，并通過(guò)改變其中石墨和WS2的含量進(jìn)一步探究了其滑動(dòng)電磨損特性，結(jié)果表明：復(fù)合材料中石墨與WS2能通過(guò)產(chǎn)生固體潤(rùn)滑膜協(xié)同潤(rùn)滑；WS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在10%～15%時(shí)能獲得較好的摩擦學(xué)特性，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%石墨與10%WS2的加入能使材料綜合摩擦磨損性能達(dá)到最佳。

甄明暉等[14]用納米蒙脫土對(duì)PTFE進(jìn)行改性，通過(guò)模壓/燒結(jié)工藝制備了PTFE/鋁合金鑲嵌型自潤(rùn)滑復(fù)合材料,并與PTFE非鑲嵌型自潤(rùn)滑復(fù)合材料試樣進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：其導(dǎo)熱性與耐磨性與非鑲嵌型復(fù)合材料相比較優(yōu)，而在達(dá)到穩(wěn)定磨損狀態(tài)后，對(duì)偶面上形成了穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜，摩擦因數(shù)為0.087?？梢?，摩擦因數(shù)沒有隨著鋁合金背襯的加入而明顯增加，表明兩者結(jié)合發(fā)揮了鋁合金背襯的導(dǎo)熱性與PTFE優(yōu)秀的潤(rùn)滑性能。

孫瑞敏等[15]研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)填料和金屬氧化物填料如TiO2、ZrO2、SiC和CuO 、ZnO等材料，填充到不同的聚合物基體中能明顯增加其耐磨性。

ABD-ELWAHED等[16]通過(guò)粉末冶金方法制備了Ti-ZrO2納米復(fù)合材料，通過(guò)改變ZrO2在復(fù)合材料中的含量，發(fā)現(xiàn)隨著Ti基體中ZrO2含量的增加，復(fù)合材料晶粒尺寸減小，從而提高了其硬度，磨損率也相應(yīng)降低；而載荷的增加會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料中壓痕深度的增加，從而使摩擦因數(shù)上升。

HUANG和ZHAO[17]用環(huán)氧樹脂在304不銹鋼表面制備了HBN納米片、TiO2和HBN-TiO2環(huán)氧樹脂增強(qiáng)復(fù)合涂層，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：復(fù)合涂層能給基體材料帶來(lái)顯著的力學(xué)性能提升，特別是在硬度和拉伸強(qiáng)度方面，并使復(fù)合涂層的耐磨性顯著提高，其中HBN-TiO2/EP復(fù)合材料磨損率較純環(huán)氧樹脂涂層降低了65.8%;通過(guò)添加二維材料(HBN)能夠通過(guò)層間滑移降低摩擦因數(shù)，且歸因于TiO2的承載能力和自潤(rùn)滑作用，HBN-TiO2/EP復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩性能。

目前填料的研究對(duì)象除了種類與含量外，填料尺寸對(duì)復(fù)合材料性能的影響也引起了學(xué)者們的注意，許多學(xué)者都對(duì)微米和納米尺寸填料填充復(fù)合材料的摩擦性能進(jìn)行研究。一般情況下，填料尺寸越小對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的改善則越顯著，納米粒子填充的聚合物復(fù)合材料在多數(shù)實(shí)驗(yàn)條件下都能表現(xiàn)出較優(yōu)的性能[18]。但隨著尺寸的不斷減小，填料粒子在聚合物基體中的分散性問(wèn)題和團(tuán)聚現(xiàn)象是需要關(guān)注和解決的。

CHANG等[19]通過(guò)熱壓在UHMWPE基體中分別添加微米和納米級(jí)ZnO并對(duì)其干摩擦特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在UHMWPE基體中摻入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的微米和納米ZnO可以改善復(fù)合材料的磨損性能，但對(duì)平均摩擦因數(shù)影響不大；與微米ZnO/UHMWPE復(fù)合材料相比，納米ZnO/UHMWPE復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的界面附著力和磨損性能，具有更光滑的磨損表面和有相對(duì)均勻和光滑的轉(zhuǎn)移膜。

穆立文等[20]通過(guò)在PTFE/PEEK復(fù)合材料中添加不同體積分?jǐn)?shù)的納米和微米TiO2對(duì)其摩擦特性進(jìn)行了研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：納米TiO2填充的PTFE/PEEK復(fù)合材料在TiO2體積分?jǐn)?shù)較低時(shí)，在不同載荷下其接觸面溫度比微米填充的復(fù)合材料更低，且更平穩(wěn)；在不同滑動(dòng)速率下，納米填充復(fù)合材料的摩擦磨損性能更優(yōu),這是因?yàn)槟Σ吝^(guò)程中脫落的納米顆粒在摩擦表面形成滾珠效應(yīng)，從而使納米填充復(fù)合材料性能更優(yōu)。

以上所述的填料大多為顆粒填充物，而由于碳纖維、高強(qiáng)玻璃纖維和超高分子量聚乙烯纖維等一系列高性能纖維能賦予復(fù)合材料高比強(qiáng)度、高比模量、低密度、抗疲勞和良好熱穩(wěn)定性等傳統(tǒng)填料所不具備的優(yōu)點(diǎn)[21-22]，基于此，許多學(xué)者對(duì)聚合物基纖維填充復(fù)合材料也進(jìn)行了深入的研究。

張艷和郭芳[23]用酚醛樹脂熱壓在45鋼表面制備了UHMWPE 纖維織物復(fù)合材料，并研究了其在干摩擦、海水與潤(rùn)滑油介質(zhì)中的摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)由于海水和潤(rùn)滑油可以在摩擦界面形成一層摩擦潤(rùn)滑膜，故減小了復(fù)合材料的摩擦因數(shù)，但復(fù)合材料在這2種情況下的磨損率卻大于干摩擦，認(rèn)為水分與油液進(jìn)入了黏接界面造成纖維織物與樹脂黏接性能下降，故造成其抗磨性能下降。

LI和GUO[24]使用原位生長(zhǎng)法在空氣等離子體刻蝕后的UHMWPE纖維表面制備了PTES-TiO2/UHMWPE織物復(fù)合材料，并通過(guò)PTO對(duì)其進(jìn)行修飾。在干摩擦條件下對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：隨著PTO含量的增加，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)略微下降；由于UHMWPE與填料的協(xié)同作用，摩擦界面由滑動(dòng)接觸變?yōu)闈L動(dòng)接觸，使復(fù)合材料具有較好的耐磨性。

通過(guò)加入不同的潤(rùn)滑填料，能使復(fù)合材料表現(xiàn)出不同的特性，使其摩擦學(xué)特性與力學(xué)性能得到提升。當(dāng)加入的填料具有在剪切力的作用下容易發(fā)生滑移的特性且具有較好的黏附性時(shí)，其加入一般能使復(fù)合材料具有較好的潤(rùn)滑性能；而通過(guò)加入部分硬質(zhì)顆粒則能較好地解決材料磨損率較大的問(wèn)題。除了傳統(tǒng)顆粒填料外，纖維材料也是目前的研究熱門。纖維的加入能很好地起到承載的作用，使填料間結(jié)合較為牢固并不易脫落，并能在一定程度上能提高復(fù)合材料的耐磨性。此外，填料尺寸的大小對(duì)摩擦學(xué)性能的影響也得到了大量研究，納米填料具有尺寸小、比表面積大的特點(diǎn)，當(dāng)其被引入復(fù)合材料且分散較好時(shí)，能使?jié)櫥瑢拥哪Σ翆W(xué)性能大幅提升。一般來(lái)說(shuō)，粒子尺寸越小，對(duì)復(fù)合材料的性能改性效果越好。目前在填料研究方面存在的問(wèn)題主要是不同工況下填料改性、多填料混合配比研究不足，大都為單一填充研究，且目前主要研究手段以現(xiàn)象解釋為主。由于填料自身性質(zhì)的不同，其在不同工況下的多種類混合、尺寸選擇與含量配比仍是今后研究的一大重點(diǎn)。

2 金屬襯背型復(fù)合材料的制備

金屬襯背型復(fù)合材料與金屬基復(fù)合材料有些相似但又不盡相同，粉末冶金、整體燒結(jié)、攪拌鑄造等金屬基復(fù)合材料的制備工藝是直接將潤(rùn)滑填料加入熔融態(tài)金屬襯背，然后冷卻成型，而金屬襯背型復(fù)合材料則是通過(guò)一系列手段在金屬襯背表層賦予潤(rùn)滑層，并且不需要對(duì)金屬進(jìn)行重新澆鑄成型。金屬襯背型復(fù)合材料的制備工藝較多，目前應(yīng)用較多的為黏接處理、激光熔覆以及微弧氧化等工藝。

2.1 黏接處理

黏接是通過(guò)機(jī)械互鎖、物理吸附和化學(xué)黏合將物體連接在一起的過(guò)程，其中影響?zhàn)そ淤|(zhì)量的因素較多，包括黏接材料的性質(zhì)和表面狀態(tài)，固化劑的性能，黏接劑自身的性能，膠液對(duì)被黏物的濕潤(rùn)能力，被黏物與黏接劑形成的界面性能等，由于原料較易獲取且制備過(guò)程不太復(fù)雜，其已廣泛用于復(fù)合材料的連接[25-26]。一般來(lái)說(shuō)，使用黏接處理制備金屬襯背型復(fù)合材料較為靈活，在連接之前需要對(duì)被黏件進(jìn)行仔細(xì)的表面處理，并且在施膠后需要靜置一段時(shí)間或者采用熱壓等方式讓其固化。常用黏接劑分為熱塑性和熱固性樹脂，包括聚氨酯、聚酰亞胺、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、芳香族環(huán)聚合物樹脂等。

劉宇飛等[27]使用酚醛樹脂將PTFE/Kevlar雙層織物與GCr15黏連，并研究了熱壓過(guò)程中黏接壓力對(duì)摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：在采取的0.1、0.2、0.3和0.4 MPa 4種熱壓壓力中， 0.3 MPa熱壓壓力能使復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率最低：當(dāng)熱壓壓力不大于0.3 MPa時(shí)，隨著熱壓壓力的增加，復(fù)合材料的摩擦因數(shù)與磨損率都隨之下降；而當(dāng)熱壓壓力大于0.3 MPa時(shí)，摩擦因數(shù)和磨損率都隨著熱壓壓力的增大而增大，但在0.4 MPa條件下制備的復(fù)合材料摩擦學(xué)特性都遠(yuǎn)優(yōu)于0.1與0.2 MPa條件下制備的復(fù)合材料。

郭賢文[28]對(duì)45鋼進(jìn)行磷化處理并使用環(huán)氧樹脂在其表面制備了由納米石墨與納米MoS2組成的固體潤(rùn)滑膜，并對(duì)以下方面進(jìn)行了研究：通過(guò)加入不同含量的650低分子聚酰胺固化劑探究樹脂基復(fù)合材料黏接質(zhì)量；通過(guò)加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的填料探究其摩擦學(xué)特性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：磷化處理不僅可使黏接強(qiáng)度得到提升，還能使摩擦因數(shù)與磨損率有所下降；隨著650 低分子聚酰胺加入量的增加，材料拉伸剪切強(qiáng)度也相應(yīng)有所提高，材料因此也具有良好的固化性能；同時(shí)納米石墨和納米二硫化鉬在降低摩擦因數(shù)和提高耐磨性方面具有協(xié)同作用，通過(guò)SEM掃描進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)加入碳纖維粉末能有利于潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜形成，可進(jìn)一步降低復(fù)合材料摩擦因數(shù)及磨損率。

LI等[29]以聚酰亞胺作為樹脂基體，納米Si3N4和亞微米WS2為填料，將PTFE/Kevlar混編織物粘接在不銹鋼上制備了復(fù)合材料，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性，結(jié)果表明：納米Si3N4的加入能有效降低復(fù)合材料的磨損率，而亞微米WS2的加入能使復(fù)合材料的摩擦因數(shù)和磨損率都有效下降，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.5% WS2和12.5% Si3N4的加入能使復(fù)合材料摩擦學(xué)性能達(dá)到最佳。通過(guò)SEM掃描發(fā)現(xiàn),加入納米顆?？梢砸种戚^大碎屑的形成；摩擦界面形成的轉(zhuǎn)移膜較均勻且充滿潤(rùn)滑填料，防止了對(duì)偶件與織物復(fù)合材料之間的直接接觸，而潤(rùn)滑膜中的納米填料能起滾動(dòng)作用，進(jìn)一步降低了材料磨損。

通過(guò)樹脂黏接制備復(fù)合材料，由于其制備成本低，成品性能較為穩(wěn)定，故得到了廣泛研究，但要考慮填料在樹脂中的分散性與浸潤(rùn)性，且為了提高其黏接性通常還需對(duì)金屬襯背進(jìn)行表面處理。另外，由于黏接劑在高溫下較易產(chǎn)生熱裂紋與脫落從而導(dǎo)致黏結(jié)磨損，如何配置黏接劑并與金屬襯背結(jié)合共同擴(kuò)大復(fù)合材料的溫度使用范圍，是目前主要存在的問(wèn)題與需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

2.2 激光熔覆

激光熔覆技術(shù)是一項(xiàng)新興的先進(jìn)表面改性技術(shù)，其通過(guò)高能激光束掃描熔覆材料，并以不同送粉方式在被熔覆工件表面添加選擇的涂層材料，使得其與基材表面薄層同時(shí)熔化，發(fā)生互擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，形成與基體具有牢固冶金結(jié)合的涂層，從而增強(qiáng)基體的抗疲勞性、抗氧化性、耐磨損等性能[30-31]。激光熔覆精度高，可控性好，能量密度高度集中，適合于對(duì)精密零件或局部零件進(jìn)行處理，可以處理的熔覆材料范圍廣、品種多，故在制備金屬襯背型復(fù)合材料中運(yùn)用也較為廣泛[32]。在這項(xiàng)技術(shù)中，具有優(yōu)良抗腐蝕性、耐磨性的的Ni 基、Fe 基等合金均被廣泛使用，而對(duì)添加何種填料進(jìn)行熔覆能使不同金屬基復(fù)合材料獲得較好的摩擦學(xué)特性，是目前較為熱門的研究方向。

WU等[33]通過(guò)激光熔覆技術(shù)在鋁合金表面制備了納米石墨烯結(jié)構(gòu)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究滑動(dòng)速度和載荷對(duì)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：均勻分散加入到復(fù)合材料中的納米石墨烯片能起位錯(cuò)增強(qiáng)和載荷增強(qiáng)的作用，使復(fù)合材料的強(qiáng)度和硬度得到增強(qiáng)，并且隨著滑動(dòng)速度的增加，其磨損率也相應(yīng)降低；歸因于納米石墨烯的自潤(rùn)滑特性，使得在磨損過(guò)程中摩擦界面易于形成自潤(rùn)滑膜并有效地減小了摩擦，其摩擦因數(shù)也隨著滑動(dòng)速度的增加而降低。

SONG等[34]通過(guò)激光熔覆在鑄造的K403基板上制備K403涂層，研究了工藝參數(shù)對(duì)K403合金組織和磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過(guò)處理的K403涂層的磨損率和摩擦因數(shù)分別僅為基材K403的41%和70%，隨著激光功率的增加，K403涂層的尺寸也會(huì)增加，同時(shí)顯微組織逐漸粗化，生長(zhǎng)方向趨于規(guī)則，而顯微硬度隨激光功率的增加則表現(xiàn)為先增后減；復(fù)合材料的磨損性能較未覆蓋涂層前得到顯著改善，其中雙層涂層獲得了最佳的耐磨性。

劉秀波等[35]利用Ti-TiC-WS2復(fù)合粉末通過(guò)激光熔覆在TA2合金表面制備了一層自潤(rùn)滑涂層，并且在不同溫度下測(cè)試對(duì)比了復(fù)合材料與基體材料的摩擦學(xué)特性，結(jié)果表明：復(fù)合材料的耐磨減摩性能在所有實(shí)驗(yàn)溫度下表現(xiàn)均比基體材料好，復(fù)合涂層在250 ℃條件下摩擦因數(shù)達(dá)到最低，在500 ℃條件下材料磨損率最低；其磨損機(jī)制也隨著溫度而不斷變化，潤(rùn)滑效果在高溫下較低。

通過(guò)激光熔覆制備的復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)是潤(rùn)滑層與金屬襯背結(jié)合較為牢固，且可自定義加工區(qū)域，但制備過(guò)程中需要注意激光功率、熔覆速度等參數(shù)；作為一種新型制備工藝，其目前得到了廣泛關(guān)注，但在實(shí)現(xiàn)能場(chǎng)分布、成型精度、送料沉積等工藝方面仍需加強(qiáng)；同時(shí)對(duì)材料的缺陷控制與對(duì)應(yīng)性能研究等也需得到進(jìn)一步研究。

2.3 微弧氧化

微弧氧化是一種通過(guò)特殊工藝處理使金屬襯背表面產(chǎn)生陶瓷膜層的技術(shù)。其工藝為：將鋁、鎂、鋅、鈦等金屬及其合金等材料置于電解液中，金屬受到端電壓的作用而在溶液中產(chǎn)生微弧放電并與溶液中的氧結(jié)合，從而使金屬襯背表面生成陶瓷膜層[36]。該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)陽(yáng)極氧化的不足，相比一般的陽(yáng)極氧化處理方法得到的膜層的孔面積相對(duì)較小，使獲得的膜層性能更優(yōu)[37]。微弧氧化不僅能提高材料的摩擦學(xué)性能，還能提高其耐腐、耐熱等性能，且加工效率較高，故為一種運(yùn)用較為廣泛的金屬表面處理技術(shù)。

謝延楠等[38]采用納米MoS2與SiC分別作為減摩耐磨添加劑添加到電解液中，在鋁合金表面制備了MoS2/SiC復(fù)合微弧氧化層，其認(rèn)為MoS2的加入一方面能使復(fù)合材料表面微凸體減少，表面粗糙度下降，另一方面能使摩擦界面形成轉(zhuǎn)移膜進(jìn)一步降低摩擦因數(shù)，故通過(guò)微弧氧化處理后的復(fù)合材料摩擦因數(shù)更低且平穩(wěn)；而加入SiC能使復(fù)合材料氧化層硬度增加，磨損量較未經(jīng)處理的合金降低了32.65%，證明通過(guò)微弧氧化添加的2種添加劑能有效改善鋁合金摩擦學(xué)特性。

寧闖明等[39]研究了氧化時(shí)間對(duì)鎂合金微弧氧化涂層結(jié)構(gòu)及性能的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著氧化時(shí)間的增加，復(fù)合材料表面的粗糙度也不斷增加，從而導(dǎo)致其摩擦因數(shù)增大，且復(fù)合材料摩擦因數(shù)均大于空白鎂合金基體的摩擦因數(shù)；而通過(guò)微弧氧化使得復(fù)合材料的磨損率大幅減小，但由于其粗糙度隨氧化時(shí)間延長(zhǎng)而增大，導(dǎo)致其磨損率隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，呈現(xiàn)先增加的趨勢(shì)，但隨著涂層硬度的增加，其磨損率增大的趨勢(shì)得到抑制并在一定氧化時(shí)間后開始降低，綜合來(lái)看其磨損率在15 min后得到了下降，達(dá)到25 min時(shí)復(fù)合材料磨損率與5 min時(shí)相差不大。

通過(guò)微弧氧化制備復(fù)合材料工藝較復(fù)雜，其具有更多的處理過(guò)程，制備成本更高，難以實(shí)現(xiàn)大面積加工，但其制備較為環(huán)保，生成的氧化陶瓷膜硬度較高且性能較為穩(wěn)定。目前其研究過(guò)程中存在的問(wèn)題與需要進(jìn)一步研究的方向主要是，如何通過(guò)控制工藝參數(shù)與電解液成分進(jìn)而優(yōu)化陶瓷層厚度、孔隙率與致密層，以適應(yīng)不同的工況要求，并同時(shí)對(duì)金屬襯背與陶瓷層的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行兼顧。

3 金屬襯背型復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)制

通過(guò)觀察金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材料及對(duì)偶件摩擦面磨損后的表面形貌，是目前分析其摩擦磨損機(jī)制的主要手段，一般是通過(guò)觀察兩者的SEM微觀結(jié)構(gòu)。為了更進(jìn)一步證實(shí)材料的磨損機(jī)制，EDS及紅外光譜圖等輔助手段也常常得以使用。在摩擦過(guò)程中，由于存在壓力和剪切力，材料表層中的自潤(rùn)滑復(fù)合材料最先承力，在其與金屬襯背結(jié)合良好的情況下，通常會(huì)被消耗磨損變薄，并附著在對(duì)偶件表面上，從而形成轉(zhuǎn)移膜降低摩擦因數(shù)。而當(dāng)表層自潤(rùn)滑材料與金屬襯背結(jié)合不佳時(shí)，其會(huì)在摩擦過(guò)程中脫落，材料中存在的硬質(zhì)顆粒則會(huì)充當(dāng)磨粒加劇磨損，導(dǎo)致復(fù)合材料摩擦穩(wěn)定性差、磨損嚴(yán)重。

REN等[40]以MoSi2作為抗氧化劑填充到PTFE/Nomex織物/酚醛復(fù)合體系中并將其粘接在45鋼表面制成了復(fù)合材料，探究了MoSi2、空氣等離子處理纖維對(duì)復(fù)合材料摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明：純纖維復(fù)合材料、僅添加MoSi2的復(fù)合材料、經(jīng)過(guò)空氣等離子處理且添加MoSi2的復(fù)合材料三者摩擦因數(shù)差別不大，均在0.05～0.1范圍內(nèi)，表現(xiàn)出較好的減摩特性。但純纖維復(fù)合材料磨損性能較差，觀察圖2(a)可以看出，其磨損表面上發(fā)生了纖維切斷現(xiàn)象和數(shù)值的分離；而僅添加MoSi2的復(fù)合材料磨損率明顯降低，觀察圖2(b)可發(fā)現(xiàn)，磨損表面幾乎沒有暴露和斷裂的纖維，只有輕微的樹脂損壞；經(jīng)過(guò)空氣等離子處理且添加MoSi2的復(fù)合材料磨損率最低，從圖2(c)可發(fā)現(xiàn),磨損表面還保留了較厚酚醛涂層，幾乎沒有微裂紋的存在，證明MoSi2與對(duì)纖維進(jìn)行空氣等離子處理在減少磨損方面表現(xiàn)為協(xié)同作用，能在保持材料較低摩擦因數(shù)的情況下減小磨損率。

圖2 3種復(fù)合材料的磨損表面的SEM圖像(測(cè)試環(huán)境溫度、施加載荷、滑動(dòng)速度分別為260 ℃，188 N,0.131 m/s)[40]Fig 2 SEM images of the worn surfaces of the three composite materials(the ambient temperature,applied load and slidingspeed during the test are 260 ℃,188 N and 0.131 m/s respectively)[40](a)pure fiber composite;(b)composite with MoSi2;(c)air plasma treated composite with MoSi2

周先輝等[41]使用碳纖維與聚四氟乙烯纖維混編織物并通過(guò)熱壓在45鋼表面制備了環(huán)氧樹脂基自潤(rùn)滑復(fù)合材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其干摩擦特性進(jìn)行了考察，結(jié)果表明：PTFE纖維隨著摩擦過(guò)程不斷磨損并附著在樹脂基體及對(duì)偶件表面，形成了具有減摩作用的轉(zhuǎn)移膜層，較大程度上提高了環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性，在這個(gè)過(guò)程中其表現(xiàn)為疲勞磨損；隨著摩擦的進(jìn)行，材料中破損的碳纖維逐漸破壞轉(zhuǎn)移膜，并產(chǎn)生摩擦高溫，使摩擦環(huán)境逐漸惡化，并在對(duì)偶件表面發(fā)生氧化磨損，最終摩擦面產(chǎn)生磨粒并通過(guò)磨粒磨損使材料失效。

王成龍等[42]以鋼背、銅粉和PTFE制備成三層金屬襯背型復(fù)合材料，將其與鋼鐵材料、有色金屬以及聚合物材料進(jìn)行配副并分析其對(duì)應(yīng)摩擦磨損機(jī)制。結(jié)果表明：復(fù)合材料與鋼鐵和聚合物材料進(jìn)行配副時(shí)主要磨損機(jī)制均為剝層磨損，摩擦因數(shù)較小，而與鋼鐵材料配副時(shí)磨損率較小，故為最佳配副材料；與有色金屬配副時(shí)材料發(fā)生了黏著磨損，故造成摩擦因數(shù)與磨損率較大，配副性能最差。

不同材料、不同工況制備的金屬襯背型復(fù)合材料，其摩擦磨損機(jī)制都不盡相同，但其大都通過(guò)在對(duì)偶面形成轉(zhuǎn)移膜從而降低摩擦因數(shù)，而隨著不同的摩擦形式其失效形式也會(huì)存在差異，如干摩擦情況下較易發(fā)生黏著磨損，油潤(rùn)滑、水潤(rùn)滑下易發(fā)生磨粒磨損等。 對(duì)金屬襯背型復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究較少涉及針對(duì)潤(rùn)滑層失效的研究，且目前對(duì)摩擦磨損機(jī)制研究主要仍是以潤(rùn)滑層現(xiàn)象分析為主，較少結(jié)合環(huán)境與金屬襯背在材料摩擦過(guò)程中發(fā)揮的作用，未來(lái)研究應(yīng)考慮這兩者對(duì)材料整體摩擦學(xué)特性造成的影響。

4 研究展望

經(jīng)過(guò)近年的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材料的組分構(gòu)成、制備工藝和摩擦磨損機(jī)制方面做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一定的成果。但隨著金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的迅速發(fā)展與應(yīng)用，其研究仍面臨著諸多挑戰(zhàn)，其未來(lái)的研究方向建議從以下幾個(gè)方面開展：

(1)金屬襯背的種類選取。由于復(fù)合材料中金屬襯背往往起到力學(xué)性能增強(qiáng)的作用，因此所選取的金屬襯背應(yīng)使復(fù)合材料在不同應(yīng)用場(chǎng)所具備更優(yōu)越的綜合性能，并通過(guò)對(duì)金屬襯背的不同處理使復(fù)合材料能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用以適應(yīng)不同工況下的摩擦學(xué)應(yīng)用。

(2)填料的混合填充機(jī)制與改性處理。由于復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性主要由潤(rùn)滑層決定，對(duì)金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材料的研究仍主要集中于填料層，目前對(duì)于填料的研究大都為單一填充研究，且填料尺寸也將影響復(fù)合材料摩擦學(xué)性能，未來(lái)需對(duì)多種類填料混合、填料尺寸選擇與含量配比進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

(3)金屬襯背型自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備工藝需進(jìn)一步完善。為使?jié)櫥瑢又苽渚鶆蛞蕴嵘龔?fù)合材料摩擦學(xué)性能、提高潤(rùn)滑層與金屬襯背的結(jié)合強(qiáng)度、減少?gòu)?fù)合材料成品缺陷增加材料可靠性等，對(duì)現(xiàn)有制備技術(shù)的改進(jìn)以及新興制備工藝的研究開發(fā)均為較為重要的發(fā)展方向。

(4)需對(duì)復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步系統(tǒng)的研究。目前對(duì)復(fù)合材料的摩擦磨損機(jī)制研究較少涉及潤(rùn)滑層的失效機(jī)制，且較少結(jié)合環(huán)境與金屬襯背在摩擦過(guò)程中發(fā)揮的作用，未來(lái)研究應(yīng)對(duì)這兩方面進(jìn)行更深層次的考慮。